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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet der Nahfeldmikroskopie, speziell Mikroskope,
die ein Bild durch Erfassung von strahlungslosen elektromagnetischen
Feldern erzeugen.
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Über Jahrhunderte
hinweg hat man angenommen, dass die räumliche Auflösung mittels
Optikmikroskopie durch Beugung grundsätzlich begrenzt ist. Diese
Begrenzung ergab sich aus einem klassischen Modell: Gitter mit einem
Abstand von weniger als λ/2
(wobei λ die
Wellenlänge
der beleuchtenden Strahlung ist) werden, ungeachtet des Einfallswinkels,
einfach nicht in der Lage sein, Licht in Richtung eines Mikroskopobjektivs
zu streuen. Somit werden jegliche strukturellen Merkmale innerhalb
eines Objekts mit einer räumlichen
Variation von weniger als λ/2
aus einem durch konventionelle Mikroskopie erzeugten Bild verloren
gehen.
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Mit
der Entwicklung der Rastertunnelmikroskopie (STM) wurde zum ersten
Mal eine Auflösung unterhalb
der Beugungsgrenze erreicht, und die Familie von Mikroskopen auf
der Basis von Lokalsonden war geboren. Das optische Rasternahfeldmikroskop
(Scanning Near-field Optical Microscope SNOM, manchmal als NSOM
bezeichnet) ist eine Lokalsondenvorrichtung, die Photonen erfasst,
statt der Elektronen der STM.
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Die
EP 545 558 A offenbart
eine Scherkrafterfassungssonde für
ein SNOM, wobei ein positionsempfindlichen Fotodetektor benutzt
wird, um Veränderungen
der Amplitude und Phase der durch piezoelektrische Aktoren in der
Sonde induzierten Schwingung zu beobachten.
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Modelle,
welche die Theorie des SNOM-Betriebs weiterentwickeln, basieren
auf einer Unterscheidung zwischen strahlenden (oder sich ausbreitenden)
und strahlungslosen (oder sich nicht ausbreitenden oder evaneszenten)
elektromagnetischen Feldern. Das strahlende Feld ist dasjenige,
das durch konventionelle Optiken (sogar in einem so geringen Abstand
wie wenigen Wellenlängen
von der Probe entfernt) erfasst wird; dies ist das Feld, das sich
von einer Probe weg ausbreitet und das nicht in der Lage ist, Subwellenlängeninformationen
zu übermitteln. Das
evaneszente Feld ist lokal an einer Probenoberfläche angeordnet, und seine Existenz
kann aus einer Betrachtung der Grenzzustände an der Grenzfläche einer
Nanometerstruktur und eines beleuchtenden Feldes abgeleitet werden.
Dieses strahlungslose Feld ist durch hohe räumliche Frequenzen gekennzeichnet,
welche die Oberflächenstruktur
wiedergeben und welche nicht in der Lage sind, sich auszubreiten.
In der Nahfeldzone (welcher Begriff hier verwendet wird, um den
Bereich zu bezeichnen, in dem das evaneszente Feld um eine beleuchtete
Probe herum vorhanden ist) existieren sowohl sich ausbreitende und
sich nicht ausbreitende Komponenten. Diese lassen sich nicht voneinander
trennen, und eine Störung
von einer wird zu einer Veränderung
von der anderen führen.
Von E. Wolf und M. Nieto-Vesperinas wurde in "Analycity of the angular spectrum amplitude
of scatterd fields and some of ist consequences", J. Opt. Soc. Am. Vol. 2, Seiten 886–889 (1985)
gezeigt, dass ein Lichtstrahl, der auf ein begrenztes Objekt auftrifft
(wobei begrenzt in diesem Sinn bedeutet, dass die Materialstruktur
eine scharfe Unstetigkeit aufweist) immer in ein sich ausbreitendes
und ein evaneszentes Feld umgewandelt wird. Das einfallende Feld
kann entweder sich ausbreitend oder evaneszent sein.
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Das
Ziel hinter sämtlichen
Mikroskopen auf Lokalsondenbasis besteht darin, ein um eine Probe herum
gebildetes evaneszentes Feld durch die Wechselwirkung zwischen dem
Feld und einer Sonde (daher Lokalsonde) zu erfassen. Es gibt eine
Reihe von Wegen, auf denen dies verwirklicht worden ist. Ein Überblick über dieses
Gebiet wird in dem Vortrag "Image
Formation in Near-Field,
Science, Vol. 56 (3), Seiten 133–237 (1997) gegeben. Beispiele
von Lokalsonden-SNOM-Techniken schließen Verfahren mit Apertur und
aperturlose Verfahren ein, die jeweils in Auffang- oder Erfassungs-
sowie Beleuchtungs-Mode unterteilt werden. Ungeachtet der Datenerfassungstechnik
wird ein vollständiges
Bild der Probenoberfläche
durch Abtastung mit der Sonde und Aufnahme von aufeinanderfolgenden
Datenablesungen erzeugt.
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Nach
ihrer Entwicklung fand die SNOM viele Anwendungen. Zusätzlich zu
ihrer offensichtlichen Relevanz beim Abbilden von Oberflächen im
Nanometermaßstab
hat sich die SNOM auch bei der Erfassung und Messung von begrenzten
elektromagnetischen Feldern, wie Oberflächenplasmon-Polaritonen, Hohlleiterwellen,
und Mikrohohlraumresonanzmoden; zur lokalen Spektroskopie von Oberflächen; zur
Veränderung
von Oberflächeneigenschaften,
z. B. zum Nanoschreiben, oder zur Veränderung von magneto-optischen
Domänen
als nützlich
erwiesen. Diese letztere Anwendung bietet ein großes Potenzial
für signifikante
Fortschritte bei der hochdichten Datenspeicherung.
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Bei
der SNOM mit Apertur, der am gebräuchlichsten verwendeten Technik,
wird eine Apertur mit Abmessungen von mehreren zehn Nanometern innerhalb
von wenigen Nanometern von der zu untersuchenden Oberfläche gehalten.
Diese Apertur ist gewöhnlich
das Ende einer angespitzten Optikfaser, deren Seitenflächen mit
Aluminium überzogen
sind (um einen undurchsichtigen "Schirm" mit einer mittigen
Apertur zu bilden). Im Beleuchtungs-Mode wird mit einem Laser die
Optikfaser hinab geleuchtet. Da die Apertur Subwellenlänge besitzt,
kann sich ein elektromagnetisches Feld nicht ausbreiten, und um die
Sondenspitze herum wird ein evaneszentes Feld gebildet, das mit
zunehmendem Abstand schnell abklingt. Das evaneszente Feld wird
von der untersuchten Oberfläche
gestreut und gebeugt, und diese Feldstörung wird in das sich ausbreitende
Feld eingekoppelt. Die sich ausbreitenden Wellen werden dann im Fernfeld
erfasst. Im Auffang- oder Erfassungs-Mode wird die Probe in einer üblichen
Weise beleuchtet, zum Beispiel mittels eines Optikmikroskopobjektivs, und
die Sonde mit Apertur wird wieder in den Nahfeldbereich der Oberfläche gebracht.
Bei dieser Implementierung tritt die Sonde direkt mit dem evaneszenten
und dem sich ausbreitenden Feld, die in der Nahfeldzone vorhanden
sind, in Wechselwirkung. Das evaneszente Feld kann sich selbst nicht
entlang der Sonde ausbreiten, jedoch führt seine Wechselwirkung mit
der Sonde zur Erzeugung einer sich ausbreitenden Komponente, die
zum Beispiel wieder in einen Optikfaserlichtleiter emittiert wird.
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Bei
der aperturlosen SNOM finden weder die Erfassung noch die Beleuchtung
im Nahfeld statt. Beide erfolgen im Fernfeld, und die Sonde ist
eine kleine streuende Spitze, die in das Nahfeld gebracht wird.
Die Sonde tritt mit dem um die beleuchtete Probe herum erzeugten
evaneszenten Feld in Wechselwirkung, und die Ergebnisse dieser Wechselwirkung sieht
man in sich ausbreitenden Wellen, die im Fernfeld aufgefangen werden.
Durch Abtastung mit der Sonde nahe der Probenoberfläche werden
daher Veränderungen
im Nahfeld ins Fernfeld übertragen. Ein
vertikales Zittern der Sonde und eine Einrasterfassung werden bei
der praktischen Instrumentierung benutzt, um Signal von Hintergrund
zu unterscheiden.
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Ungeachtet
der Einzelheiten der Implementierung besteht eine entscheidende
Praktikabilität sämtlicher
Lokalsondenmikroskope darin, irgendeinen Weg zur Steuerung des Spitzen-Oberflächen-Abstands zu finden,
um sicherzustellen, dass die Sonde innerhalb von der Abklinglänge des
evaneszenten Feldes gehalten wird. Seit den frühen 1990ern ist dies gewöhnlich durch
die Verwendung des "Scherkraft"-Verfahrens erreicht
worden. Diese Technik beinhaltet, eine vertikal montierte Sonde
in Bezug zur Ebene der Probenoberfläche mit einer Frequenz nahe
ihrer Resonanzfrequenz horizontal hin und her zu bewegen bzw. in
Schwingung zu versetzen. Eine solche Schwingung kann durch ein piezoelektrisches
Element bewirkt werden, das die Spitze in seitlicher Richtung über einige
Nanometer zum Schwingen bringt. Bei der Annäherung an die Oberfläche führen Oberflächen-Sonden-Wechselwirkungen
zu einer Dämpfung
der Schwingungsamplitude. Es wird allgemein angenommen, dass der
Dämpfungsmechanismus,
unter Umgebungsbedingungen, durch eine begrenzte Wasserschicht auf
der Probenoberfläche
verursacht wird, jedoch sind andere dämpfende Wechselwirkungen ebenfalls
denkbar. Die Schwingungsamplitude kann dann gemessen werden, zum
Beispiel durch fotovoltaische Messung eines schwingenden Schattens
der Spitze in einem sekundären
Lichtstrahl. Durch Überwachung
dieser Amplitude ist es möglich,
sie auf einem konstanten Wert zu halten und daher einen konstanten
Abstand zwischen der Spitze und der Probenoberfläche aufrecht zu erhalten.
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Als
Alternative zur Verwendung der Scherkraft zur Überwachung des Abstands von
Probe zu Sonde kann auch der Photonenstrom (in Analogie zum Elektronenstrom
bei der STM) verwendet werden. Bei der STM kann die Sonde in einem
fest eingestellten Abstand von der Probenoberfläche gehalten werden, indem
man die Höhe
so anpasst, dass ein konstanter Elektronenstrom aufrecht erhalten wird.
Die Überwachung
des Photonenstroms ist jedoch weit weniger einfach. Im Nahfeld sind
sowohl evaneszente und strahlende Felder vorhanden, und der erfasste
Photenstrom hängt
nicht nur von der Topographie der Probe ab, sondern auch von der
Art ihres Materials und dem Analyseabstand. Trotzdem kann unter
gewissen besonderen Umständen
der Photonenstrom wirkungsvoll verwendet werden. Ein solches Beispiel
ist, wenn die Probe durch innere Totalreflexion eines einfallenden
Strahls beleuchtet und im Durchlicht abgetastet wird. Bei dieser
Anordnung erfolgt die Beleuchtung nur durch ein evaneszentes Feld,
und so wird auf der Sondenseite der Probe nur eine minimale sich
ausbreitende Welle vorhanden sein. Dies vergrößert die Abhängigkeit
des Photonenstroms von der Topographie und macht eine Überwachung
des Photonenstroms zur Aufrechterhaltung des Abstandes durchführbar. Dieser SNOM-Mode
wird häufig
als Photonenrastertunnelmikroskopie (PSTM) bezeichnet.
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Ein
Nachteil sämtlicher
derartiger Lokalsondentechniken ist die Datenerfassungszeit: eine
mit der notwendigerweise kleinen Sonde vorgenommene Vollbildabtastung
ist zeitaufwendig. Typischerweise liegt die Zeit, die man braucht,
um ein Bild aufzunehmen, im Bereich von mehreren zehn Sekunden, was
eine Echtzeitüberwachung
von vielen wissenschaftlich, industriell und physiologisch bedeutsamen Prozessen
ausschließt.
Da Lokalsondentechniken zunehmend verwendet werden, um jenseits
der λ/2-Beschränkung von
konventionellen optischen Speichermedien Daten zu lesen und zu schreiben, wird
außerdem
schnell ersichtlich, dass die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung
durch die Geschwindigkeit begrenzt wird, mit der Informationen gelesen
werden können.
Daher besteht ein wahrgenommener Bedarf, die Datenerfassungszeiten
bei Nahfeldabtasttechniken zu verbessern.
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Es
ist ein Ziel dieser Erfindung, ein System bereitzustellen, das zu
einer schnelleren Erfassung von Nahfeldwechselwirkungen imstande
ist, und dadurch Informationsauslesegeschwindigkeiten zu vergrößern und
mehr wissenschaftliche, industrielle und physiologische Prozesse
für eine
Echtzeit-SNOM-Untersuchung zu öffnen.
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Dementsprechend
stellt diese Erfindung ein optisches Nahfeldrastermikroskop bereit,
umfassend eine Sonde, die in einen Nahfeldbereich bewegbar ist,
der eine Oberfläche
einer beleuchteten Probe umgibt; eine Antriebseinrichtung, die angeordnet
ist, um für
eine Relativbewegung zwischen der Sonde und der Probenoberfläche zu sorgen;
eine Einrichtung, um die Sonde schwingend über die Probenoberfläche hin
und her zu bewegen; sowie einen Detektor, der angeordnet ist, um
elektromagnetische Strahlung zu erfassen, die durch eine Wechselwirkung
zwischen Sonde, Feld und Probe im Nahfeldbereich beeinflusst wird;
dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop, im Betrieb, angeordnet
ist, um eine Abtastung der Probenoberfläche auszuführen, bei der die Abtastfläche durch
eine Anordnung von Abtastzeilen abgedeckt wird, wobei jede Abtastzeile aufgenommen
wird, indem die Sonde bei oder nahe ihrer Resonanzfrequenz hin und
her bewegt bzw. in Schwingung versetzt wird, so dass die Schwingungsamplitude
die Abtastzeilenlänge
bestimmt und für
deren Anordnung durch Betätigung
der Antriebseinrichtung gesorgt wird.
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Bei
einer Schwingung nahe oder in Resonanz wird sich die Sonde sehr
schnell über
die Probenoberfläche
bewegen. Jede Abtastzeile wird als ein ununterbrochenes (analoges)
Bild aufgenommen, während
die Sonde über
die Oberfläche
der Probe schwingt. Indem gleichzeitig für eine Relativbewegung zwischen
der Sonde und der Probenoberfläche
gesorgt wird, werden durch aufeinanderfolgende Abtastzeilen Informationen
aus verschiedenen Teilen der Oberfläche erfasst. Nach dem Abdecken
eines Bereichs der Oberfläche
können
Abtastzeileninformationen erfasst und mit jeweils angemessener Verschiebung
wiederhergestellt werden, um ein Bild der zweidimensionalen Abtastfläche zu erzeugen.
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Verschiedene
Ausrichtungen von Sondenschwingung und Sonden-Oberflächen-Relativbewegung können verwendet
werden, um die Abtastfläche abzudecken.
Eine Linearverschiebung kann in einer Richtung verwendet werden,
die im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene ist, in der die Sonde
hin und her bewegt bzw. in Schwingung versetzt wird, wodurch eine
im Wesentlichen rechteckige Abtastfläche begrenzt oder festgelegt
wird. Wenn die Relativbewegung ununterbrochen ist, wird die Abtastfläche schnell
mittels einer einzigen, durchgehenden Zickzacklinie abgedeckt. Alternativ
kann eine kreisförmige
Anordnung erzeugt werden, indem man für eine relative Drehung von
Sonde und Probe um eine Achse sorgt, die im Wesentlichen mit derjenigen
zusammenfällt,
um welche die Sonde hin und her bewegt bzw. in Schwingung versetzt
wird. Außerdem
kann die Schwingung auch dem Pfad einer Ziffer Acht folgen, wiederum
mit einer drehenden Relativbewegung.
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Es
wird sehr stark bevorzugt, dass für die Relativbewegung zwischen
Sonde und Probenoberfläche
in einem einstellbaren Trennabstand gesorgt wird, wobei dieser Abstand
während
der Abtastung durch Höhenverstelleinrichtungen
gesteuert werden kann, die angeordnet sind, um eine Parametereigenschaft
des Sonden-Oberflächen-Abstands
zu überwachen
und entweder die Sonden- oder Probenhöhe zu verstellen, um einen
im Wesentlichen konstanten Wert dieses Parameters aufrecht zu erhalten.
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Um
eine sinnvolle Lokalsondenmessung vorzunehmen, muss die Sonde selbst,
wie zuvor erwähnt,
innerhalb von einigen nm von der Probenoberfläche gehalten werden. Selbst
unter den besten praktisch erreichbaren Bedingungen machen es Instabilitäten der
Ausstattung und der Umgebung sehr schwierig, die Höhe der Sonde
bis zu diesem extremen Maß an
Beständigkeit
zu steuern, ohne ein gewisses Maß an unabhängiger Einstellbarkeit vorzusehen.
Dementsprechend wird das bevorzugte Lokalsondenmikroskop die Abtastung
mit der Sonde in einer einstellbaren Höhe über der Probenoberfläche vornehmen.
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Vorzugsweise
ist die Antriebseinrichtung auch angeordnet, um für die physikalische
Höheneinstellung
zu sorgen, entweder durch Antreiben der Sonde oder der Probe.
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Der
Abstand zwischen der Sonde und der Oberfläche kann durch Rückkopplung
aus dem Wert des überwachten
Parameters gesteuert werden. Vorteilhafterweise ist dieser überwachte
Parameter, der für
den Sonden-Oberflächen-Abstand
kennzeichnend ist, die Schwingungsamplitude, und diesen Parameter
betreffende Daten werden gleichzeitig mit der Abtastzeilenbilderfassung
gesammelt bzw. aufgenommen. Diese Messung ist die Grundlage für das sogenannte
Scherkraftverfahren zur Abschätzung des
Sonden-Oberflächen-Abstands.
Wie wohlbekannt ist und häufig
auf diesem Gebiet ausgenutzt wird, werden Sondenschwingungen bei
Annäherung an
die Oberfläche
stärker
gedämpft,
und die Stärke der
Scherkraft zwischen der sich bewegenden Sonde und der Oberfläche wird
größer. Dies
bedeutet, dass man durch Überwachung
der Schwingungsamplitude ein Maß für die Sondenhöhe erhalten
kann.
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In
früheren
Systemen, die sich auf die Scherkraft verlassen, erfolgt die Abtastung
zur Bildaufnahme schrittweise in zwei Dimensionen, und an jedem Haltepunkt
wird die Sonde hin und her bewegt bzw. in Schwingung versetzt, um
Daten für
die Höheneinstellung
zu liefern. Obwohl es dies ermöglicht,
die Sondenhöhe
aufrecht zu erhalten und so die Bildauflösung zu verbessern, gibt es
eine Reihe von Nachteilen. Erstens muss die Abtastung in zwei Dimensionen
schrittweise erfolgen. Dies vergrößert unvermeidlich die Kompliziertheit
der Ausstattung, die benötigt
wird, um die Abtastung auszuführen,
und die Anzahl von Pausen zwischen den Schritten vergrößert natürlich die
Zeit, die zur Fertigstellung der Abtastung benötigt wird. Zweitens können dann,
wenn die Abtastgeschwindigkeit bei der Anordnung aus dem Stand der
Technik wichtig ist, Amplitudeninformationen zur gleichen Zeit wie
die Bildaufnahme erfasst werden. Jedoch werden die Schwingungen
der Sonde über
jedem Pixel unvermeidlich zu einem geringen Verlust an Auflösung führen. Aus
diesem Grund werden Schwingungsamplituden so klein wie möglich gehalten,
typischerweise ~ wenige nm.
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Im
Gegensatz dazu wird die Anordnung der Vorrichtung beträchtlich
vereinfacht, indem man von der Schwingung der Sonde doppelten Gebrauch macht.
Die Sondenschwingung wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet,
um sowohl eine ganze Abtastzeile und eine Höhenanzeige bereit zu stellen.
Es besteht daher keine Notwendigkeit, eine Antriebseinrichtung bereit
zu stellen, die imstande ist, für
eine schrittweise Bewegung in mehreren Dimensionen zu sorgen, um
eine Abtastfläche
abzudecken. Indem man die Schwingungsamplitude verlängert, wird
außerdem
das Signal kontinuierlich entlang von jeder Abtastzeile abgelesen:
es gibt keinen Verlust an Auflösung
aufgrund von entweder Digitalisierung oder Sondenschwingung. Unvermeidlich
ist der Verlust der Fähigkeit,
Signale zu integrieren, die man an getrennten Abtastpunkten erhalten
hat, was zu einem gewissen Verlust an Genauigkeit führen wird.
Das soll nicht heißen,
dass mit der Vorrichtung dieser Erfindung keine Integration durchgeführt werden
kann, sie kann selbstverständlich
erreicht werden, jedoch auf Kosten von Geschwindigkeit. Zum Beispiel
können
mehrere Sondenschwingungen ausgeführt werden, während Informationen
auf etwas erfasst werden, was tatsächlich dieselbe Abtastzeile ist.
Man hat gefunden, dass für
viele Anwendungen der geringe insgesamt auftretende Verlust an Auflösung durch
den Zuwachs der Geschwindigkeit, mit der ein Bild aufgenommen werden
kann, mehr als kompensiert wird.
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Die
Einrichtung, um die Sonde über
die Probenoberfläche
hin und her zu bewegen bzw. in Schwingung zu versetzen ist vorzugsweise
angeordnet, um während
der Abtastzeilenerfassung die Sonde knapp außerhalb ihrer Resonanzfrequenz
hin und her zu bewegen bzw. in Schwingung zu versetzen. Obwohl eine
Schwingung bei Resonanz die Länge
einer Abtastzeile maximieren würde,
liefert eine Schwingung nahe der Resonanz den Vorteil einer größeren Empfindlichkeit,
wenn man sich auf die Scherkraft verlässt, um eine Angabe des Sonden-Oberflächen-Abstands
zu liefern. Das Scherkraftverfahren erfordert es, die Schwingungsamplitude
zu messen, und was die Amplitudenveränderung angeht, gibt es ein
stärkeres
Ansprechen auf eine Positionsverschiebung der Resonanzspitze, wenn knapp
außerhalb
der Resonanz gearbeitet wird.
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Das
Mikroskop kann auch eine Laserquelle, einen geteilten Fotodetektor
und eine geteilte Detektorsignalverarbeitungseinrichtung einschließen, die
so angeordnet sind, dass Licht aus dem Laser auf die Sonde einfällt und
von dieser, wenn sie sich hin und her bewegt bzw. schwingt, zum
geteilten Detektor hin reflektiert wird. Die Verarbeitungseinrichtung
ist dann angeordnet, um basierend auf einem Verhältnis von Signalen, die an
verschiedenen Teilen des geteilten Detektors empfangen werden, einen
Wert für
die Sondenschwingungsamplitude zu erzeugen.
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Dies
liefert eine vorteilhafte Einrichtung, mittels derer die Sondenschwingungsamplituden
gemessen werden können.
Es existieren andere Verfahren, jedoch besitzen diejenigen, die
sich auf die Interferometrie verlassen, obwohl sie sehr genau sind,
kritischere Anforderungen hinsichtlich Strahlausrichtung und neigen
auch dazu, für
mechanische Drift anfällig
zu sein. Diese Ausführungsform
der Erfindung stellt daher eine verhältnismäßig einfache Vorrichtung bereit,
mit der die notwendigen Amplitudenmessungen mit akzeptabler Genauigkeit
vorgenommen werden können.
Sie liefert auch eine absolute Messung der Sondenverschiebung, die
wiederum die Abtastgröße definiert.
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Alternativ
kann die Sonde an einer Zinke einer Stimmgabel befestigt und die
Sondenschwingungsamplitude mittels einer piezoresistiven Beschichtung
auf den Zinken gemessen werden. Diese Technik, wie von K. Karrai & R. D. Grober
in "Piezoelectric
tip-sample distance control for near field optical microscopes", Appl. Phys. Lett.
66(14), 1842–1844
(1995) beschrieben, hat den Vorteil, dass sie sich etwas einfacher
als die Alternativen ausführen
lässt.
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Wenn
das elektromagnetische Feld im Wesentlichen ein evaneszentes Feld
ist, dann kann die Parametereigenschaft des Sonden-Oberflächen-Abstands
optional der Photonenstrom sein. Vorzugsweise wird diese Anordnung
unter Verwendung eines Photonen-Rastertunnelmikroskops angewandt.
In der Theorie wird sie auch bei Beleuchtungsverfahren mit Apertur
anwendbar sein, jedoch hat es bis heute keine praktische Realisierung
der Höhensteuerung durch Überwachung
des bei einer Beleuchtung mit Apertur erzeugten Photonenstroms gegeben.
Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung wird die Sondenschwingung nur zum Durchlaufen einer
Abtastzeile benutzt, und die Signalintensität wird über einen Schwingungszyklus
integriert. Dies liefert eine alternative Einrichtung zur Aufrechterhaltung
der Sondenhöhe,
welche die zum Messen der Schwingungsamplitude verwendete zusätzliche
Ausstattung nicht erforderlich macht. Da der Photonenstrom tatsächlich bereits
bei der Aufnahme eines Bildes gemessen wird, wird die einzige zusätzliche
Anforderung eine weitere Datenverarbeitung sein. Unglücklicherweise ist
diese Technik nur von begrenzter Anwendung.
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In
einem anderen Aspekt dieser Erfindung wird ein digitales Datenauslesesystem
bereit gestellt, umfassend ein Mikroskop, wie oben beschrieben, das
angepasst ist, um ein Datenspeichermedium abzutasten, auf das Daten
als Veränderung
von optischen Eigenschaften des Speichermediums geschrieben worden
sind. Die Daten können
als eingebrannte Nanometergrübchen
geschrieben worden sein.
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In
einem dritten Aspekt stellt diese Erfindung eine Lokalsonde zur
Verwendung in der Nahfeldmikroskopie bereit, die so angeordnet ist,
dass die Sonde über
eine Abtastfläche
bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abdecken der Abtastfläche die
Sonde bei oder nahe ihrer Resonanzfrequenz über eine Oberfläche einer
Probe hin und her bewegt bzw. in Schwingung versetzt wird, wodurch
eine Reihe von Abtastzeilen festgelegt wird, deren Länge durch
die Hin- und Herbewegungs- bzw.
Schwingungsamplitude bestimmt wird, während sie sich in Relativbewegung
zur Oberfläche
befindet.
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In
einem weiteren Aspekt stellt diese Erfindung ein Verfahren zur schnellen
Aufnahme bzw. Erfassung von Bilddaten aus einer Abtastfläche einer Probe
mit Nanometermerkmalen bereit, wobei das Verfahren die Schritte
umfasst:
- (a) Beleuchten der Probe mit einem
elektromagnetischen Feld;
- (b) Bewegen einer Sonde mit einer Spitze von Subwellenlängenabmessungen
in einen Nahfeldbereich in der Nähe
der Probe;
- (c) schwingendes Hin- und Herbewegen der Sonde über eine
Oberfläche
der Probe bei oder nahe ihrer Resonanzfrequenz, während für eine Relativbewegung
zwischen der Sonde und der Oberfläche der Probe gesorgt wird,
so dass eine Anordnung von Abtastzeilen, deren Länge der Schwingungsamplitude
entspricht, die Abtastfläche
abdeckt;
- (d) Erfassen von Strahlung, die in den Nahfeldbereich eingekoppelt
wird, und die daher Informationen betreffend Wechselwirkungen zwischen
der Sonde, dem Feld und der Probe enthält, mit einem Detektor; und
- (e) Verarbeiten von Signalen aus dem Detektor, um Informationen
betreffend die Nanometerstruktur der Probe zu gewinnen.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Implementierung der Erfindung bei einem Photonen-Rastertunnelmikroskop
(PSTM-Mode).
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2a zeigt
ein unter Verwendung eines Scherkraft-SNOM aus dem Stand der Technik
aufgenommenes Bild der Oberfläche
eines PHB/V-Sphäruliten.
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2b zeigt
ein unter Verwendung der Vorrichtung aus 1 aufgenommenes
Bild, das einem Teil des in 2a dargestellten
Bildes entspricht.
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3 zeigt
eine schematische Implementierung der Erfindung bei einem aperturlosen
optischen Rasternahfeldmikroskop (aperturloser SNOM-Mode).
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4 ist
eine schematische Darstellung der Erfindung implementiert in einem
Beleuchtungs-SNOM-Mode mit Apertur.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer Implementierung der Erfindung
in einem ersten Erfassungs-SNOM-Mode mit Apertur.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer Implementierung der Erfindung
in einem zweiten Erfassungs-SNOM-Mode mit Apertur.
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1 zeigt
eine PSTM-Mode-Implementierung der Erfindung, die allgemein mit 10 bezeichnet ist.
Licht aus einer ersten Laserquelle 12 wird auf ein Dove-Prisma
(nicht dargestellt) fokussiert, das eine Probe 14 trägt. An der
Grenzfläche
Prisma-Probe unterliegt
das Licht einer inneren Totalreflexion, wobei sich ausbreitende
Wellen 16 reflektiert werden und die Probe 14 in
einen evaneszenten Feld beleuchtet wird. Eine verjüngte Optikfaser 18 mit
einer Sondenspitze 20 ist im Wesentlichen senkrecht zur
Probenoberfläche
montiert und ist in den Nahfeldbereich 22 bewegbar. Ein
Fotodiodendetektor 24 ist angeordnet, um ein optisches
Signal 26 aufzufangen, das sich entlang der Faser 18 ausbreitet.
Ein piezoelektrischer Wandler (nicht dargestellt) ist mit der Faser 18 verbunden,
um den Antrieb für
eine Hin- und Herbewegung bzw. Schwingung der Sondenspitze 20 in
einer seitlichen Richtung nahe Resonanz zu liefern, wie durch Pfeile 28 angezeigt.
Das Prisma, das die Probe 14 trägt, ist auf einer Abtaströhre (nicht
dargestellt) montiert, die seine Bewegung in einer Ebene senkrecht
zu der Schwingungsebene steuert, welche die Schwingungsachse enthält. Die
Sondenschwingung wird durch Reflexion eines gebündelten Lichtstrahls aus einem
zweiten Laser 13 mittels der Faser 18 in Richtung
eines außeraxialen
geteilten Fotodiodendetektors 32 überwacht. Der geteilte Detektor 32 umfasst
eine erste 34 und eine zweite 36 Fotodetektorkomponente.
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Die
verjüngte
Faser 18 kann durch eine Reihe von konventionellen Mitteln
erzeugt werden, zum Beispiel unter Verwendung einer Sutter-Kohlendioxidlaser-Faserziehvorrichtung.
Die Laser 12, 30 können beliebige von einer Reihe
von Typen sein, in Abhängigkeit
von der Anwendung. Bei anfänglichen
Experimenten war der erste Laser 12 ein 20 mW He-Ne-Laser,
und der zweite 30 war ein Diodenlaser von ungefähr 1 mW
Leistung. Zur spektroskopischen Analyse sollte der erste Laser 12 polychrom
sein, oder es ist eine Reihe von Lasern mit verschiedener Wellenlänge erforderlich.
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Um
die Funktionsweise dieser Erfindung ersichtlich zu machen, ist es
hilfreich, lediglich zu Zwecken dieser Beschreibung orthogonale
x-, y- und z-Achsen des Systems zu definieren. Die y-Richtung ist
diejenige in die Seite von 1 hinein,
z entspricht der vertikalen Richtung und x der horizontalen Richtung
in der Ebene der Figur. Die Probe nimmt somit im Wesentlichen die
xy-Ebene ein, die Schwingung der Faser führt zu einer Spitzenbewegung
im Wesentlichen in x-Richtung (wobei die Schwingungsachse parallel
zur z-Achse verläuft)
und die Abtaströhre
steuert die Probenbewegung in der y- und der z-Richtung.
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Mit
Bezugnahme auf 1 wird nun die Funktionsweise
der Erfindung im PSTM-Mode-System 10 beschrieben. Der erste
Laser 12, wie oben beschrieben, beleuchtet die Probe 14 in
einem evaneszenten Feld. Um Nanometermerkmale der Probe 14 abzutasten,
wird die Sondenspitze 20 in dieses evaneszente Feld gebracht
und in der xz-Ebene nahe Resonanz mit einer relativ großen Amplitude von
bis zu einigen Mikron hin und her bewegt bzw. in Schwingung versetzt.
Gleichzeitig bewegt die Abtaströhre
das Prisma kontinuierlich in y-Richtung. Auf diese Weise führt die
Sonde wegen der Relativbewegung zwischen der Sonde 20 und
der Probe 14 eine Zickzack-Rasterabtastung der Probenoberfläche durch.
Die Abtastfläche
entspricht daher der Schwingungsamplitude (Breite) mal der gesamten
Abtaströhrenverschiebung
(Länge).
Die Sonde wird nahe Resonanz in Schwingung versetzt, um für eine gegebene
Antriebskraft eine Abtastbreite nahe dem Maximum zu erhalten. In
Folge der Proben-Feld-Sondenspitzen-Wechselwirkung
wird ein strahlendes Feld 26 erzeugt, das sich entlang
der Faser zum Detektor 24 ausbreitet. Das Detektorsignal
wird gewonnen und verarbeitet, um ein Bild der Probenoberfläche in Übereinstimmung
mit üblichen
Techniken auf dem Fachgebiet abzuleiten.
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Das
durch dieses Verfahren gewonnene Bild ist von der optischen Oberfläche. Das
heißt,
es ist eine Abwicklung der optischen und topographischen Merkmale
des Bereichs nahe der Oberfläche.
Die Verarbeitung kann entsprechend den gewünschten Informationen ausgeführt werden.
Um zum Beispiel die optischen Informationen zu gewinnen, wird die Abtastung
mehrere Male in verschiedenen Höhen über der
Oberfläche
wiederholt. Der topographische Beitrag wird für die unteren Schichten ausgeprägter sein,
und die Veränderung über die
geschichteten Bilder gestattet es, ihn zu entfernen. Optische Informationen
werden jedoch idealerweise nicht von der PSTM-Ausführungsform
dieser Erfindung erfasst, da diese SNOM-Implementierung für Topographie
weit empfindlicher als andere Techniken ist.
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Eine
Beschreibung, wie optische und topographische Beiträge zum PSTM-Bild
getrennt werden können,
findet man in einem Artikel von C. E. Jordan et al., "Removing optical
artefacts in nearfield scanning optical microscopy by using a three-dimensional
scanning mode",
J. Appl. Phys. 86 (3) S. 2785 (1999).
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Um
die Höhe
der Sonde 20 über
der Probe 14 aufrecht zu erhalten, macht die in 1 dargestellte
Ausführungsform
der Erfindung vom Scherkraftverfahren Gebrauch. Das heißt, Sondenschwingungen
werden überwacht
und Einstellungen vorgenommen, um sicherzustellen, dass ihre Amplitude über die
Abtastung hinweg verhältnismäßig konstant bleibt.
Auf diese Weise wird von den Sondenschwingungen zweifacher Gebrauch
gemacht: erstens tragen sie zur Ausführung einer schnellen Rasterabtastung
der Probenoberfläche
mittels der Sonde 20 bei, und zweitens gestatten sie es,
den entscheidenden Faktor der Sondenhöhe über der Probenoberfläche aufrecht
zu erhalten.
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Natürlich ist
es daher wichtig, imstande zu sein, die Amplitude der Sondenschwingung
zu messen. Um dies zu tun, wird Licht aus dem zweiten (~1 mW) Laser 30 auf
einen Brennpunkt auf einer Oberfläche der Faser 18 fokussiert.
Von hier wird es unter einem Winkel von ungefähr 90° in Richtung des geteilten Fotodiodendetektors 32 reflektiert.
Während die
Faser 18 schwingt, wird der Brennpunkt in Bezug zur (gekrümmten) Oberfläche der
Faser bewegt. Diese sich ändernde
Krümmung
bewirkt, dass sich der Reflexionswinkel verändert und sich somit der reflektierte
Strahl über
den geteilten Detektor 32 bewegt. Der Detektor 32 ist
in Bezug zur Schwingung nicht symmetrisch ausgerichtet, sondern
erfasst nur einen Teil, bis hin zu einer Hälfte, des Schwenks. Wenn der reflektierte
Strahl den Detektor 32 überquert,
erzeugt jede Fotodetektorkomponente 34, 36 ein
Signal, und das Verhältnis
der beiden Signalstärken
ist bezeichnend für
die Amplitude der Faserschwingung. Dieses Ansprechen wird kalibriert,
indem man die Faser 18 um ein bekanntes Maß verlagert,
indem man eine Gleichspannung am piezoelektrischen Wandler anlegt
und die Veränderung
des Fotodetektorsignals beobachtet. Diese Technik der Laserreflexionserfassung
wird ausführlicher
von M. Antognozzi et al. in Rev. Sci. Instr. 71(4), S. 1689–1694 (2000)
beschrieben.
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Wenn
die Sonde 20 in die Nahfeldzone gebracht ist, wird die
gewünschte
Schwingungsamplitude als Bruchteil der freien (weit von der Oberfläche entfernten)
Schwingungsamplitude der Sonde 20 eingestellt. Wenn diese
eingestellte Amplitude erreicht ist, beginnt die Abtastung. Wenn
an irgendeinem Punkt während
der Abtastung eine kleinere Schwingungsamplitude beobachtet wird,
zeigt dies eine vergrößerte Dämpfung an,
aus der geschlossen wird, dass der Sonden-Oberflächen-Abstand verkleinert worden
ist. Die Probe 14 muss daher von der Sondenspitze 20 (in
z-Richtung) weg
bewegt werden. Umgekehrt zeigt eine Schwingung mit größerer Amplitude
eine Zunahme des Sonden-Oberflächen-Abstands an, und
die Probe 14 sollte angehoben werden. Eine Rückkopplungstechnik
wird daher benutzt, um die eingestellte Schwingungsamplitude aufrecht
zu erhalten und so sicherzustellen, dass der mittlere Sonden-Oberflächen-Abstand über eine
Abtastzeile hinweg ungefähr
konstant gehalten wird. In der Realität wird die Amplitude um die
eingestellte Amplitude herum schwanken. Zu dieser Schwankung trägt eine
Reihe von Faktoren bei: Überschießen bei der
Höheneinstellung,
die Tatsache, dass die Zeitkonstante der Rückkopplungsschleife größer als
die Schwingungsperiode der Sonde sein muss, und die finite Länge der
Zeit, welche die Sonde braucht, um sich an eine Veränderung
der Wechselwirkung anzupassen (Einschwingzeit).
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Es
ist auch von Bedeutung, dass die Zeitkonstante für die Rückkopplungsschleife, die länger sein muss
als die Periode der Sondenschwingung, und die Ansprechzeit der Sonde
kürzer
sein müssen,
als die Zeit, die es dauert, um die gesamte Abtastung fertig zu
stellen. Ansonsten würde
die Sonde keine Zeit zur Anpassung haben, wenn es beim Sonden-Proben-Abstand
viel Veränderung
gibt.
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An
diesem Punkt lohnt es sich, anzumerken, dass der Begriff PSTM manchmal
genommen wird, um auf eine Nahfeld-Mikroskopiertechnik zu verweisen, bei
der die Sondenhöhe über der
Probe über den
Photonenstrom überwacht
wird. Natürlich
ist diese Interpretation im vorliegenden Zusammenhang nicht angemessen,
da die Sondenhöhe
bei dieser Ausführungsform
der Erfindung über
die Scherkraft überwacht
wird. Das herausragende Merkmal der PSTM, so wie der Begriff hier
verwendet wird, ist, dass die Beleuchtung durch ein evaneszentes
Feld erfolgt, das durch innere Totalreflexion erzeugt wird.
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Dieses
System aus Laser – Sonde – geteilter Fotodiode
ist in keiner Weise die einzige Art und Weise, in welcher Sondenschwingungsamplituden
gemessen werden können.
Zahlreiche andere Techniken können
ebenfalls zusammen mit dieser Erfindung verwendet werden. Ein Verfahren
besteht darin, die schwingende Faser 18 zu beleuchten und
ihren Schatten zu beobachten. Während
der Schatten einen geteilten Fotodetektor überquert, wird das Verhältnis von
Signalen aus jeder Komponente wieder eine Anzeige der Schwingungsamplitude
liefern. Ein anderes Verfahren besteht darin, die Faser an einer Zinke
einer Stimmgabel zu befestigen. Wenn die Stimmgabel erregt wird,
werden sich die Zinken verbiegen. Die Verbiegung wird mittels einer
piezoresistiven Beschichtung auf den Zinken gemessen.
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Gewöhnlich werden
die Innenseite und die Außenseite
der Zinken beschichtet, und die Differenz der erzeugten Spannung
gemessen. Weitere Alternativen können
auf der Differenzinterferometrie basieren. Ein Nachteil von Differenzinterferometrieverfahren
besteht jedoch darin, dass sie ein Auftreffen von Zwillingsstrahlen
auf die Sonde und eine Rückverfolgung
ihrer Pfade erforderlich machen. Dies hat sich als sehr schwierig
auszurichten erwiesen. Ein zweiter Nachteil besteht darin, dass
dieses System keine absolute Messung der Sondenverschiebung liefert,
sondern dass es nur eine Anzeige liefert, ob die Schwingungsamplitude
angestiegen oder abgefallen ist, und dass es schließlich für mechanische Drift
besonders anfällig
ist.
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Die
Sonde 20 wird nahe Resonanz hin und her bewegt bzw. in
Schwingung versetzt, statt bei Resonanz, was die Länge einer
Abtastzeile maximieren würde,
weil ein größeres Ansprechen,
hinsichtlich Amplitudenveränderung,
auf eine Verschiebung der Position der Resonanzspitze vorhanden
ist, wenn man sich knapp außerhalb
der Resonanz befindet. Weil es gerade diese Amplitudenveränderung
ist, die gemessen wird, um eine Anzeige jeglicher Schwankung der
Sonden-Proben-Wechselwirkung zu liefern, verbessert diese Positionierung
das Signal-Rausch-Verhältnis wirkungsvoll.
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Um
die Geschwindigkeit der Abtastung zu maximieren, wird jede Abtastzeile
in einer einzigen Schwingung der Sonde aufgenommen. Natürlich könnte man
durch mehrere Schwingungen auf jeder Zeile ein besseres Bild erhalten,
obwohl ein schrittweises Vorwärtsbewegen
und Anhalten der Abtaströhre,
um für
mehrere Querungen derselben Zeile zu sorgen, zum Sondenklingeln
führen
würde.
Natürlich würde dies
auch die Abtastgeschwindigkeit verringern. Die Geschwindigkeit der
Abtaströhre
kann jedoch so eingestellt werden, dass die Probe mit einer Geschwindigkeit
von bis hinab zu etwa 1 Å pro Schwingungszyklus
bewegt wird. Mit dieser Geschwindigkeit ist es daher möglich, beinahe
eine Integration auszuführen,
indem aufeinanderfolgende Zeilen zusammen addiert werden, so dass
jede Zeile im verarbeiteten Bild zum Mittel von sagen wir fünf Schwingungszeilen
wird. Die durch diese Integration gewonnene Zunahme des Signal-Rausch-Verhältnisses
kann unter vielen Umständen
den Verlust an Auflösung
mehr als kompensieren.
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Obwohl
diese Ausführungsform
der Erfindung eine Abtaströhre
einschließt,
die für
eine Linearbewegung in y-Richtung sorgt, können selbstverständlich viele
andere Abtastgeometrien verwendet werden. Das einzige Erfordernis,
wenn eine Fläche abgebildet
wird, besteht darin, dass die Kombination von Proben-(oder äquivalent
Sonden-)Verschiebung und Sondenschwingung den abzubildenden Bereich abdeckt.
Somit könnte
die Probe gedreht werden, während
die Sonde in Schwingung versetzt wird, wodurch eine Abtastung erzeugt
wird, die eine kreisförmige
Reihe von durch einen Mittelpunkt verlaufenden Abtastzeilen umfasst.
Alternativ könnte
die Sonde eingestellt werden, um in zwei zueinander senkrechten
Richtungen zu schwingen. Wenn die Schwingungen dann in beiden Richtungen
gemeinsam angetrieben werden, ergibt sich eine nicht-lineare Schwingung,
wie eine Ziffer Acht. Wenn man die Achse der Ziffer-Acht-Schwingung
dann rotieren lässt,
würde die
Sondenbewegung die Abtastfläche
in einer Reihe von durch einen Mittelpunkt verlaufenden Ziffern
Acht abdecken.
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Wenn
die Abtastung eine Probenfläche
abdecken soll, die in x-Richtung
größer als
diejenige ist, die von der Schwingungsamplitude der Sonde abgedeckt
wird, kann natürlich
eine sekundäre
Abtastung in dieser Richtung eingeführt werden. Nach jedem Schritt
in x-Richtung wird eine Fläche
der Probe abgetastet, wobei die einzelnen abgetasteten Flächen so
angeordnet werden, dass sie die gewünschte abzubildende Probenfläche abdecken.
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Bei
Systemen aus dem Stand der Technik, die sich auf die Scherkraft
verlassen, um den Sonden-Proben-Abstand aufrecht zu erhalten, erfolgt
die Abtastung in zwei Dimensionen schrittweise, und an jedem Haltepunkt
wird die Sonde in Schwingung versetzt, während sie Bilddaten aufnimmt.
Das an jedem Punkt aufgenommene Bild ist daher ein Mittel über die
Schwingungsamplitude, was zu einem Verlust an Auflösung führt. Im
Gegensatz dazu erlauben die Schwingungen der vorliegenden Erfindung
eine analoge Zeilenabtastung, und so wird die Auflösung nicht durch
Digitalisierung begrenzt. Ein Versuch, den Verlust an Auflösung zu überwinden,
der den Systemen mit schrittweiser Vorwärtsbewegung und Schwingung
aus dem Stand der Technik innewohnt, hat darin bestanden, optische
Daten nur auf demjenigen Teil der Schwingung einer Scherkraftsonde
zu erfassen, auf dem die Sonde der Probenoberfläche am nächsten ist(S. K. Sekatskii
et al., Appl. Phys. Lett. 77(4), 2089–2091 (2000). Nichtsdestotrotz
bleibt dies ein inhärent
zeitaufwendiges Verfahren zur Erfassung eines Nahfeldbildes.
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Bei
dieser Ausführungsform
der Erfindung wird das Ausgangssignal aus der Fotodiode 24 durch einen
Verstärker
(nicht dargestellt) einem Verarbeitungssystem (nicht dargestellt)
zur Datenerfassung, -verarbeitung und -anzeige zugeführt. Um
eine digitale Datenverarbeitung zu ermöglichen, kann die Abtastzeile
vom Verarbeitungssystem künstlich
in Pixel unterteilt werden.
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Bei
diesem PSTM-Betriebs-Mode besteht ein alternatives Verfahren zur
Aufrechterhaltung des Proben-Sonden-Abstands darin, den Fotostrom
zu überwachen.
Bei dieser Ausführungsform
wird die gesamte optische Intensität über einen Sondenschwingungszyklus
integriert, und die Sondenhöhe durch
Rückkopplung
so eingestellt, dass ein konstanter Strom aufrecht erhalten wird.
Man bemerke, dass diese Ausführungsform
die zweifache Ausnutzung der Sondenschwingungen nicht vorsieht,
jedoch die potenzielle Geschwindigkeit der Datenerfassung dennoch
eine Verbesserung gegenüber
dem Stand der Technik darstellt.
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2a zeigt
ein unter Verwendung eines SNOM-Systems aus dem Stand der Technik
aufgenommenes konventionell abgetastetes topographisches Scherkraftbild 40 eines
Polymer-Sphäruliten aus
Polyhydroxybutyrat-co-valerat (PHB/V). 2b zeigt
ein unter Verwendung des Hochgeschwindigkeits-PSTM aus 1 aufgenommenes
Bild 44, wobei die Signalverarbeitung unter Verwendung
eines LabViewTM-Systems ausgeführt wurde.
Dieses Bild 44 ist von einem Teil derselben Polymer-Sphäruliten-Probe,
der durch den umrandeten Bereich 42 im Bild 40 aus 2a angezeigt
wird. Das LabViewTM-System liefert einen
praktischen Weg, auf dem gewonnene Bildinformationen in einer Labor-Prototyp-Umgebung
verarbeitet werden können.
Man stellt sich vor, dass anspruchsvollere Datenverarbeitungssysteme
imstande sein werden, bessere Bilder zu erzeugen.
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Jede
Abtastzeile in dem Bild wird in einer Schwingungsperiode der Sonde
20 aufgenommen. Somit
weist das Bild
44 eine Zeile
46 mit Spiegelsymmetrie
auf: eine Seite wird in einer ersten Spur aufgenommen, und die andere
in einem Rückkehrspurteil der
Schwingung. Die Digitalisierung erfolgt in der Zeitdomäne; das
heißt,
jedes Pixel des Bildes weist den gleichen zeitlichen Abstand von
seinen Nachbarn auf. Da sich die Geschwindigkeit der Sonde während der
Schwingung verändert,
ist das Bild
44 verzerrt, wobei die Seiten und die Mitte
etwas "gestreckt" sind. Diese Verzerrung
kann beseitigt werden, und zwar durch Anwendung der Funktion:
wobei x die Position des
neu positionierten Pixels in der Abtastzeile ist, Amplitude die
Schwingungsamplitude ist, n die Pixelzahl ist, ausgelöst von einer Null-Verschiebung
der Sonde aus, s die Anzahl der abgetasteten Pixel pro Sekunde ist,
und ω die
Winkelgeschwindigkeit der Sonde
20 ist.
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Beim
Aufnehmen dieses Bildes 24 betrug die Resonanzfrequenz
der Sonde ~4 KHz und die Schwingungsamplitude ~150 nm. Somit wurden
die 4000 Abtastzeilen im Bild 44 in etwa 1 Sekunde aufgenommen.
Dies ist fast 2000 mal schneller als die Zeit, die benötigt wurde,
um das Bild 40 aus 2a aufzuzeichnen.
Die im Hochgeschwindigkeitsbild erhaltene Auflösung beträgt etwa 30 nm. Dies ist keine grundsätzliche
Grenze, sondern verschiedene Faktoren, wie Größe der Sonde, Sonden-Proben-Abstand, Abklinglänge des
Feldes und Ausstattungseinschränkungen
tragen dazu bei. Die bei der Prototyp-PSTM-Anordnung verwendeten
Ausstattung könnte
mühelos
verbessert werden, um die Auflösung
zu steigern. Zum Beispiel waren die Brandbreite des Fotodiodenverstärkers und
die Digitalisierungsfrequenz des speziellen LabViewTM-Systems,
das verfügbar
war, signifikante Beitragsfaktoren. Es lässt sich vorhersehen, dass
mit gegenwärtig
verfügbaren Ausstattungsverbesserungen
eine Auflösung
in der Größenordnung
von 1 nm mühelos
erreichbar sein wird. Dies ist mit dem augenblicklichen Grad an
Auflösung
vergleichbar, der unter Verwendung der langsameren PSTM-Abbildungsvorrichtungen
aus dem Stand der Technik (1–3
nm) erzielbar ist.
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Falls
erforderlich, kann eine Reihe von Bildern aufgenommen werden, die
dem Bild 44 ähnlich, jedoch
gegenüber
diesem verschoben sind, um die gesamte in 2a dargestellte
Bildfläche 40 wiederzugeben.
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3 zeigt
schematisch eine in einem aperturlosen optischen Rasternahfeldmikroskop
(aperturloser SNOM-Mode) implementierte Ausführungsform der Erfindung, die
allgemein mit 50 bezeichnet ist. Komponenten, welche für dieselbe
Funktion sorgen, wie diejenigen, die in 1 dargestellt
sind, sind gleich bezeichnet. In 3 beleuchtet
Licht aus der ersten Laserquelle 12 die Probe 14 direkt.
Im Nahfeldbereich 22 um die Probe 14 herum werden
sich daher sowohl evaneszente und strahlende Felder finden. Eine
verjüngte
Wolframsonde 52 ist auf einer Abtaströhre (nicht dargestellt) im
Wesentlichen senkrecht zur Probenoberfläche montiert. Die Abtaströhre ermöglicht es,
die Sonde 52 sowohl in y- und z-Richtung zu bewegen, d.
h. in die Seite hinein und zur Probenoberfläche hin, wenn dieselbe Bezeichnungsweise
wie für 1 benutzt
wird. Die Sonde 52 kann auch mittels eines piezoelektrischen
Wandlers (nicht dargestellt) in einer seitlichen Richtung hin und
her bewegt bzw. in Schwingung versetzt werden, wie durch die Pfeile 28 angezeigt.
Gestreutes Licht 54, das Informationen betreffend die Sonden-Feld-Proben-Wechselwirkung
enthält,
wird vom Detektor 56 aufgefangen. Wie bei der PSTM-Vorrichtung
wird die Sondenschwingung durch Reflexion eines fokussierten Lichtstrahls
aus dem zweiten Laser 30 in Richtung der ersten 36 und
der zweiten 38 Komponente des außeraxialen geteilten Fotodiodendetektors 34 überwacht.
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Im
Betrieb ist das Prinzip des aperturlosen SNOM ähnlich wie bei demjenigen des
PSTM. Wenn die Probe beleuchtet wird, wird die Sonde 52 in
den Nahfeldbereich 22 gebracht und in der xz-Ebene nahe Resonanz
hin und her bewegt bzw. in Schwingung versetzt. Daher erhält man in
einer Periode dieser Schwingung zwei Abtastzeilen, und die Abtaströhre steuert
die Bewegung in y-Richtung, um die Abtastung über die Probenoberfläche zu vervollständigen.
Zugleich wird die Sondenschwingungsamplitude von dem System aus
dem zweiten Laser 30 und dem geteilten Fotodetektor 32 überwacht.
Eine Verarbeitungsschaltung gewinnt die gewünschten Amplitudeninformationen
aus dem Fotodetektorsignal und koppelt diese Informationen wiederum
zur Abtaströhre
zurück,
die auch die Sondenbewegung in z-Richtung steuert. Die Bewegung
der Abtaströhre
in z-Richtung wird so vorgenommen, dass eine konstante Scherkraft
und daher eine konstante Schwingungsamplitude aufrecht erhalten
wird. Der Hauptunterschied zwischen diesem Mode und PSTM besteht darin,
wie die Proben-Feld-Sonden-Wechselwirkung angeregt und gemessen
wird. Bei der Anordnung aus 3 bedeutet
das Fehlen von inneren Totalreflexion, dass die Probe direkt von
einem strahlenden Feld beleuchtet wird. Dies ruft im Nahfeldbereich 22 sowohl
strahlende und evaneszente Felder hervor. Wenn die Sonde 52 in
das Nahfeld gebracht wird, werden in einem gewissen Maß sowohl
Wechselwirkungen zwischen dem evaneszenten und dem strahlenden Feld
sowie der Sonde in das strahlende Feld eingekoppelt, das vom Detektor 56 im
Fernfeld erfasst wird. Das erfasste Signal wird verstärkt und
verarbeitet, um ein Bild zu erzeugen. Das auf diese Weise erzeugte
Bild kann im Wesentlichen in derselben Weise verarbeitet werden,
wie dasjenige, das man unter Verwendung der PSTM-Vorrichtung erhalten hat.
Der Unterschied wird in seiner Interpretation liegen.
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Jeder
der verschiedenen SNOM-Moden hat seine speziellen Vorteile und Nachteile,
und es wird von der gewünschten
Anwendung abhängen,
welcher gewählt
wird. Jedoch ist jede beliebige der gewöhnlich verwendeten Lokalsonden
beständig
gegen hohe Schwingungsgeschwindigkeiten, und so kann diese Erfindung,
falls gewünscht,
in allen SNOM-Typen realisiert werden.
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Die
PSTM-Mode-Vorrichtung, die sich zur Beleuchtung auf innere Totalreflexion
verlässt,
weist mehrere Vorteile auf. Die Polarisation des Beleuchtungsstrahls
kann gesteuert werden, und das Eintauchen der Probe in ein evaneszentes
Feld bedeutet, dass Streulicht stark eingeschränkt ist. Die PSTM-Technik ist äußerst empfindlich
für die
Topographie der Probe, was wiederum zu einer höheren Auflösung führt.
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Die
PSTM-Technik ist die einzige SNOM-Anordnung, die bis heute realisiert
worden ist, wobei die Überwachung
des Photonenstroms benutzt wird, um die Sondenspitzenposition zu
steuern. Dies beseitigt die Notwendigkeit, zwischen Probe und Sonde
eine Wechselwirkungskraft (wie die Scherkraft, die glücklicherweise
eine verhältnismäßig schwache
Kraft ist) zu erzeugen, die für
empfindliche polymere und biologische Objekte zerstörerisch
sein kann. Das Scherkraftverfahren zur Abstandssteuerung, wie in
Bezug auf die Ausführungsformen
der 1 und 3 beschrieben, funktioniert
durch eine begrenzte Fluidschicht (unter normalen Bedingungen Wasser)
zwischen Probe und Sonde.
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Wechselwirkungskräfte in dieser
Umgebung sind äußerst komplex,
und sie hängen
sowohl vom Sonden-Proben-Abstand und der Art des Materials der Probe
selbst ab. Dies macht die Bildinterpretation kompliziert, da Materialveränderungen
nicht von topologischen Veränderungen
unterscheidbar sind.
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Eine
Einschränkung
der PSTM besteht darin, dass Bilder im Durchlicht betrachtet werden
müssen:
das heißt,
die Proben müssen
transparent sein. Eine andere besteht darin, dass die notwendige schräge Beleuchtung
im Fall einer Probe mit Topographieschwankungen von mehreren hundert
Nanometern eine starke Anisotropie einbringt. Außerdem, obwohl dies in mancher
Hinsicht vorteilhaft ist, braucht eine Beleuchtung mit polarisiertem
Licht nicht immer wünschenswert
sein, und die PSTM-Technik ist nicht für unpolarisierte Beleuchtung
zugänglich.
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Der
Vorteil des aperturlosen SNOM-Mode besteht darin, dass die Sonde
keine optische Faser sein braucht. In der Tat braucht sie überhaupt
nicht durchsichtig sein. Wolfram ist ein bevorzugtes Material, da
die Wolframfertigung eine ausgereifte Technologie ist und äußerst kleine
Spitzenwinkel erreichbar sind. Außerdem weist eine Wolframspitze
einen verhältnismäßig hohen
Streuquerschnitt auf, und das Material selbst hat einen hohen Elastizitätsmodul, was
zu einer hohen Sondenresonanzfrequenz führt. Es ist auch klar, dass
die Sonde gleich wirkungsvoll entweder das durchgelassene oder das
reflektierte Feld abfragen kann, und somit ist die Probendurchsichtigkeit
kein Problem.
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4 ist
eine schematische Darstellung der Erfindung, realisiert bei einem
Beleuchtungs-SNOM-Mode mit Apertur. Die Vorrichtung 60, welche
diese Ausführungsform
der Erfindung realisiert, weist eine Lichtquelle 62 auf,
wobei Strahlung 64 aus derselben angeordnet ist, um sich
eine Optikfaser (nicht dargestellt) hinab zu einer Sonde 66 mit Subwellenlängenapertur 68 auszubreiten.
Nach einer Wechselwirkung mit der Probe 14 wird gestreutes Licht 70 im
Fernfeld von einer Linse 72 aufgefangen und auf einen Fotodetektor 74 fokussiert.
Wieder ist entweder die Sonde 66 oder die Probe auf einer
Abtaströhre
montiert, die zu einer Abtastung in y-Richtung (kontinuierliche
Abtastung) und z-Richtung (Höheneinstellung)
imstande ist und mit einem piezoelektrischen Wandler verbunden ist,
der imstande ist, Sondenschwingungen im Wesentlichen in x-Richtung
anzutreiben, wie durch die Pfeile 28 angezeigt. Wie bei
früheren
Ausführungsformen
sind ein Laser 30 und ein geteilter Fotodetektor 32 angeordnet,
um die Amplitude der Sondenschwingungen zu überwachen.
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Das
Verfahren zur Ausführung
der Abtastung ist wie zuvor: die Sonde 66 wird nahe Resonanz
in Schwingung versetzt, wobei zwei Abtastzeilen in jeder Schwingungsperiode
aufgenommen werden, und in Bezug zur Probe oberhalb der Probenoberfläche 14 im
Nahfeldbereich verschoben. Die Höheneinstellung
wird über
eine Rückkopplung
aus dem Signal des geteilten Detektors gesteuert und eingestellt,
um den Probenoberflächen-Sonden-Abstand
im Wesentlichen konstant zu halten.
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Bei
dieser Ausführungsform 60 wird
die Probe jedoch über
die Subwellenlängenapertur 68 beleuchtet,
mit der ihre Oberfläche
abgetastet wird. Wegen der Subwellenlängenabmessungen der Apertur 68 kann
sich Strahlung nicht aus der Faser zur Probe ausbreiten, und die
Probe wird nur von einem evaneszenten Feld beleuchtet. Dieses Feld
tritt mit der Probe in Wechselwirkung, und die Auswirkung der Probe
wird in sowohl evaneszente und strahlende Felder eingekoppelt. Das
strahlende Feld wird von der Linse 72 und vom Detektor 74 aufgefangen.
Datenverarbeitung und Bilderzeugung werden nach dem Auffangen ausgeführt.
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Der
Detektor 74 kann ein beliebiger von einer Reihe von gewöhnlich verwendeten
optischen Detektoren sein: zum Beispiel eine Lawinen-Photodiode, ein
Kanal-Fotovervielfacher oder eine normale Fotovervielfacherröhre. Die
Sonde 66 zur Verwendung beim Beleuchtungsmode mit Apertur
ist nicht so flexibel wie diejenigen, die bei aperturlosen und PSTM-Moden
verwendet werden. Sie muss eine optische Faser sein, um imstande
zu sein, die Probe zu beleuchten, und die Apertur wird gebildet,
indem die Faser mit einer optisch undurchsichtigen Substanz beschichtet
wird. Bei dieser Ausführungsform
ist die Faser mit Aluminium beschichtet. Aluminium ist ein bevorzugtes
Material, da es eine geringe Hauttiefe für elektrische Felder mit optischer
Frequenz aufweist, und so eine kleine Apertur definiert werden kann.
Es können
jedoch auch andere Metalle verwendet werden.
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Bilder,
die unter Verwendung einer SNOM-Beleuchtung mit Apertur aufgenommen
worden sind, lassen sich leichter analysieren als diejenigen, die
unter Verwendung von anderen Techniken aufgenommen worden sind.
Es gibt weniger Probleme mit Streulicht, und dass die Beleuchtung
in einem konstanten Abstand von der Oberfläche gehalten wird, trägt dazu
bei, topographische Artefakte zu beseitigen. Die SNOM-Bildanalyse
kann unter Verwendung von finiter Differenzzeitbereich-Computersimulation
von Maxwell-Gleichungen ausgeführt
werden, wie von S. H. Simpson und S. Hanna in Opt. Comms. 196(1–6): 17–31, September
2001 beschrieben. Die SNOM-Beleuchtung mit Apertur ist auch imstande, Doppelbrechung
abzubilden, was bei der Untersuchung von Kristallisationsvorgängen von
besonderer Bedeutung ist und sich für die digitale Datenspeicherung
als nützlich
erweisen kann.
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Auf
der anderen Seite sind SNOMs, die metallisierte Fasern verwenden,
stärker
durch Rauschen eingeschränkt
als die anderen Lokalsondenmikroskope. Die Laser-Beschädigungsschwelle
der Metallbeschichtung ist ein Faktor, der die Verbesserungen begrenzt,
die am Signal-/Rausch-Verhältnis vorgenommen
werden können,
indem einfach ein leistungsfähigerer
Laser verwendet wird, um die Probe zu beleuchten. Intensitäten oberhalb
von etwa 5 mW führen
zu einer teilweisen Verdampfung der Aluminiumbeschichtung. Wegen
des Signalrauschens wird erwartet, dass sich die Auflösung im
Vergleich zu PSTM und anderen aperturlosen Moden unterhalb von etwa
50 nm beträchtlich
verschlechtern wird.
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Die 5 und 6 zeigen
schematisch eine Vorrichtung 80, 90, welche die
Erfindung bei Erfassungs-SNOM-Moden mit Apertur verkörpert. Licht aus
der Quelle 12 fällt
aus dem Fernfeld auf die Probe 14 ein. Eine Wechselwirkung
mit der Probe 14 führt
im Nahfeldbereich 22 sowohl zu evaneszenten und strahlenden
Feldern. Dieser Bereich wird durch eine mit einer Apertur versehene
Sonde 82 abgetastet, wobei die Abtastung in derselben Weise
wie bei früheren
Ausführungsformen
der Erfindung erzielt und überwacht
wird. Die mit einer Apertur versehene Sonde 82 bei dieser
Ausführungsform
ist eine mit Aluminium beschichtete verjüngte Optikfaser, deren Spitze
von einer Beschichtung frei bleibt, um eine Apertur 84 zu
bilden. Diese Sonde funktioniert als Nanokollektor: das heißt, ihre
Subwellenlängenspitze tritt
mit den Feldern im Nahfeldbereich 22 um die Probe herum
in Wechselwirkung, wobei sich die Wechselwirkungen in ein strahlendes
Feld einkoppeln, das sich auf der anderen Seite der Apertur 84 entlang
der Faser ausbreitet. Dieses sich ausbreitende Feld wird von einem
Detektor 86 erfasst, und das Detektorsignal wird verarbeitet,
um ein Bild zu erzeugen. Der Unterschied zwischen den beiden Anordnungen 80, 90 besteht
darin, dass in 5 das SNOM 80 angeordnet
ist, um das Bild im Durchlicht zu betrachten, und in 6 in
Reflexion. Das heißt,
die Quellen 86 befinden sich auf unterschiedlichen Seiten
der Probe, wobei die Anordnung 90 aus 6 geeignet
ist, um undurchsichtige Materialien abzubilden.
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Es
können
auch andere mögliche
Anordnungen von Beleuchtung und Erfassung verwendet werden; das
grundsätzliche
Erfordernis ist die Wechselwirkung zwischen Sonde – evaneszentem
Feld – Probe.
Ein ins Auge gefasstes Beispiel besteht darin, die Vorteile von
PSTM mit aperturlosem SNOM zu kombinieren und das im Inneren totalreflektierte
Licht aufzufangen. Bei dieser Anordnung wird die Wechselwirkung
des evaneszenten Feldes aus dem aufgefangenen Licht subtrahiert.
Das erwartete niedrige Signal- Rausch-Verhältnis stellt
ein Problem dar, das überwunden
werden muss, jedoch wird es die Fähigkeit, auf eine Faser-Erfassungsvorrichtung
zu verzichten, ermöglichen,
die Sonde mit einer viel schärferen
Spitze zu fertigen und so die Auflösung zu verbessern.
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Eine
wichtige Anwendung für
dieses schnell abtastende SNOM findet sich bei der Auslesung von digitalen
Daten. Bei einem gegenwärtigen
Verfahren werden Daten mit hoher Dichte unter Verwendung der erwärmten Spitze
einer Atom-Kraftmikroskop(AFM)-Sonde
geschrieben, um Grübchen
von etwa 10 nm in ein Speichermedium einzubrennen. Die Daten können ausgelesen
werden, indem eine Differenztemperaturabtastung der Oberfläche ausgeführt wird.
Die Grübchen
stellen jedoch topographische Veränderungen dar, die für eine Auslesung
unter Verwendung dieser Erfindung, implementiert in einem der hier
beschriebenen SNOM-Moden, ideal ist. Es wird jedoch angemerkt, dass
wegen ihrer inhärent höheren Auflösung einer
der aperturlosen Moden bevorzugt werden kann.
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Gegenwärtig werden
viele verschiedene Wege zum Erzielen einer Datenspeicherung mit
hoher Dichte untersucht. Viele, zum Beispiel Polymer-Rekonformation
und Magnetdomänenspeicherung
sind für
eine schnelle Auslesung mittels eines der hier beschriebenen SNOM-Moden
geeignet.
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Andere
Anwendungen dieser Erfindung schließen die Erfassung und Messung
von geführten Wellen,
Polaritonen, Mikrohohlraummoden und anderen begrenzten elektromagnetischen
Feldern ein, sowie bei der lokalen Oberflächenspektroskopie.
